劉滿(mǎn)堂，張家新劉 悅

(1.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036;2.成都天奧信息科技有限公司，成都611731)

1 引言

復(fù)雜電磁環(huán)境下航空通信能力不僅與系統(tǒng)固有性能有關(guān)，也與飛機(jī)平臺(tái)電磁環(huán)境密切相關(guān)，而且，惡劣電磁環(huán)境條件對(duì)航空通信質(zhì)量的影響是巨大的。所以，研究復(fù)雜電磁環(huán)境條件下航空通信系統(tǒng)效能評(píng)估是提高航空通信系統(tǒng)使用效能的重要措施之一。

隨著航空通信系統(tǒng)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)組成也成倍增長(zhǎng)，采用拆分隔離等單一方式進(jìn)行通信效能評(píng)估[1]已不能滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)需求，如何確保系統(tǒng)效能的準(zhǔn)確評(píng)估是通信系統(tǒng)能力驗(yàn)證的關(guān)鍵。

鑒于技術(shù)發(fā)展和用戶(hù)劇增所導(dǎo)致的航空平臺(tái)電磁環(huán)境日益惡化的現(xiàn)狀，開(kāi)展復(fù)雜電磁環(huán)境通信能力[2]試飛評(píng)估研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文主要進(jìn)行復(fù)雜電磁環(huán)境和通信系統(tǒng)的特點(diǎn)探討，分析典型應(yīng)用環(huán)境。

2 航空通信系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 通信天線

通信系統(tǒng)主要通信設(shè)備大都采用全向高增益天線，部分設(shè)備應(yīng)用大角度定向天線，完成通信信號(hào)的磁電轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)。

2.2 通信設(shè)備

通信設(shè)備主要是航空通信系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)接收和發(fā)射設(shè)備，完成信號(hào)的調(diào)制發(fā)射和接收解調(diào)還原。

2.3 系統(tǒng)其他設(shè)備

系統(tǒng)其他設(shè)備是除天線及收發(fā)設(shè)備外的其他輔助設(shè)備，完成系統(tǒng)供電、交聯(lián)、計(jì)算、控制等功能。

2.4 通信對(duì)象

一般是與航空平臺(tái)互通的地面通信設(shè)備或其他航空平臺(tái)，主要配合完成通信信息交換。

從通信系統(tǒng)組成來(lái)看，受到環(huán)境影響的主要環(huán)節(jié)是天線和通信設(shè)備。天線在高性能接收通信信號(hào)的同時(shí)，對(duì)干擾信號(hào)也進(jìn)行了高效接收。通信設(shè)備的高靈敏性也易受到影響，發(fā)射功率高會(huì)惡化航空平臺(tái)自身和近場(chǎng)環(huán)境。系統(tǒng)交聯(lián)控制間的串?dāng)_也是不可忽視的問(wèn)題。同時(shí)，通信對(duì)象受其自身性能和環(huán)境的變化也會(huì)對(duì)通信效果產(chǎn)生明顯影響。

3 復(fù)雜電磁環(huán)境特點(diǎn)

復(fù)雜電磁環(huán)境由空域、時(shí)域、頻域和能量上分布的數(shù)量繁多、樣式復(fù)雜、密集重疊、動(dòng)態(tài)交迭的電磁信號(hào)構(gòu)成[3]。復(fù)雜電磁環(huán)境在一定空域、時(shí)域、頻域和功率域上，多種電磁信號(hào)同時(shí)存在，對(duì)航空通信裝備應(yīng)用產(chǎn)生一定影響[4]。

3.1 航空平臺(tái)內(nèi)部電磁環(huán)境

電子信息技術(shù)的發(fā)展增強(qiáng)了航空電子系統(tǒng)的功能，擴(kuò)展了應(yīng)用范圍，使得航空平臺(tái)有限的區(qū)域內(nèi)形成了極為復(fù)雜的電磁環(huán)境。航電設(shè)備電磁頻譜分布寬[5]，輻射功率大，眾多設(shè)備集中安裝。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，由于電磁干擾(EMI)導(dǎo)致設(shè)備之間、系統(tǒng)之間電磁兼容性(EMC)下降，造成系統(tǒng)功能失效或性能降級(jí)，必然影響系統(tǒng)試飛評(píng)估結(jié)果。

3.2 自然空間環(huán)境

新的電子信息技術(shù)研究成果帶動(dòng)了通信產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，通信產(chǎn)品種類(lèi)和數(shù)量不斷增加，電磁輻射和人為無(wú)意干擾有增無(wú)減，這不僅破壞了背景噪聲占優(yōu)的分布特征，而且使得航空通信系統(tǒng)試飛實(shí)施變得更加困難。

3.3 干擾對(duì)抗環(huán)境

通信截獲與干擾能力伴隨通信技術(shù)的發(fā)展而不斷提升，生產(chǎn)和應(yīng)用大功率、寬頻帶干擾設(shè)備也變得容易。由于通信系統(tǒng)自身在作用距離、靈敏度等方面性能的提高，也給敵對(duì)干擾信號(hào)的進(jìn)入留下了更大的空間。

3.4 綜合環(huán)境

對(duì)航空平臺(tái)和電子系統(tǒng)而言，真實(shí)和復(fù)雜電磁環(huán)境往往是集合自身環(huán)境、自然環(huán)境和對(duì)抗環(huán)境于一體的多維度的綜合環(huán)境，對(duì)通信系統(tǒng)的影響也復(fù)雜多變，使得航空通信系統(tǒng)試飛評(píng)估變得更加困難。

4 復(fù)雜電磁環(huán)境的量化分級(jí)

4.1 電磁環(huán)境測(cè)試

電磁環(huán)境測(cè)試主要目的是完成電磁環(huán)境復(fù)雜度評(píng)估分級(jí)，為通信能力評(píng)估提供參考。通過(guò)環(huán)境測(cè)試建立完備的試飛電磁環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)是基礎(chǔ)。

電磁環(huán)境量化主要從電磁信號(hào)平均功率譜密度、頻譜占用度、時(shí)間占用度、空間覆蓋率等方面進(jìn)行分析:頻譜占用度衡量電磁環(huán)境與航空通信系統(tǒng)試飛用頻在頻域的沖突;時(shí)間占用度衡量電磁環(huán)境與航空通信系統(tǒng)試飛用頻時(shí)域沖突;空間覆蓋率衡量電磁環(huán)境與航空通信系統(tǒng)試飛用頻空域的沖突。

試飛電磁環(huán)境測(cè)試流程如圖1所示。

圖1 電磁環(huán)境測(cè)試流程Fig.1 Electromagnetic environment test process

4.2 電磁環(huán)境等級(jí)分類(lèi)

工程試飛實(shí)踐證明，只有制定了電磁干擾級(jí)別和通信降級(jí)準(zhǔn)則，才能有效開(kāi)展復(fù)雜電磁環(huán)境通信能力試飛評(píng)估。

通信距離是航空通信系統(tǒng)最重要戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)之一，以通信距離作為系統(tǒng)能力試飛評(píng)估基準(zhǔn)量評(píng)估系統(tǒng)狀態(tài)，將其分為正常工作、基本正常工作、降級(jí)工作和不能工作4級(jí)。

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并參照工程試飛經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將航空超短波通信頻段電磁環(huán)境規(guī)劃為以下4級(jí):

一級(jí)環(huán)境:接收天線端口電磁背景電平P≤－110 dBm;

二級(jí)環(huán)境:接收天線端口電磁背景電平－110 dBm≤P≤ －104 dBm;

三級(jí)環(huán)境:接收天線端口電磁背景電平－97 dBm≤P≤－80 dBm;

四級(jí)環(huán)境:接收天線端口電磁背景電平P≥－78 dBm。

5 典型應(yīng)用及效果估計(jì)

復(fù)雜電磁環(huán)境航空通信效能試飛評(píng)估依賴(lài)通信接收天線端口信噪比分析計(jì)算，當(dāng)通信信號(hào)接近靈敏度值時(shí)，電磁噪聲和隨機(jī)干擾對(duì)分析計(jì)算影響更大，因此，需要測(cè)試多種信號(hào)電平信噪比數(shù)據(jù)并按照準(zhǔn)則進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。

假設(shè)超短波通信系統(tǒng)發(fā)射功率Pt=10 W(40 dBm)，通信頻率 f=300 MHz，系統(tǒng)損耗為－4 dB，天線增益 G=Gt+Gr= －4 dB，Gt為發(fā)增益，Gr為收增益，收發(fā)天線阻抗、極化方式匹配，通信距離300 km，根據(jù)公式

計(jì)算可得機(jī)載通信系統(tǒng)接收天線端口電平Psi=Pt+G－Lp0= －100 dBm。

考慮信噪比(S+N)/N≥10 dB，保障正常通信的基本條件是接收天線端噪聲電平小于－110 dBm。

5.1 仿真推演

仿真推演具有經(jīng)濟(jì)性、安全性、靈活性、可控性等優(yōu)勢(shì)，能可視化檢查試飛規(guī)劃、航線設(shè)計(jì)、資源保障的符合性，對(duì)真實(shí)試飛數(shù)據(jù)進(jìn)行重演并與仿真結(jié)果對(duì)比分析，輔助航線優(yōu)化制定最佳試飛方案。仿真推演是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境航空通信能力試飛評(píng)估的有效途徑。

航空通信系統(tǒng)試飛任務(wù)推演流程如圖2所示。

圖2 試飛推演流程Fig.2 Flight－ test emulation process

5.2 試驗(yàn)評(píng)估

按照試飛需要布設(shè)地面配試站點(diǎn)，并完成試飛準(zhǔn)備。干擾站布置在試飛出航航線的前側(cè)方向，地面通信站、干擾站與飛機(jī)之間距離關(guān)系滿(mǎn)足飛機(jī)在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)干擾壓制系數(shù)要求(壓制系數(shù)KjR等于抗干擾容限Mj)。圖3所示為空中試飛驗(yàn)證示意圖。

圖3 空中試飛示意圖Fig.3 Flight－ test scene

由理論推導(dǎo)可知，壓制系數(shù)與干擾功率、通信功率、通信距離、干擾距離等滿(mǎn)足

式中，Ps為信號(hào)發(fā)射機(jī)功率;GsR為發(fā)射天線在接收機(jī)方向上的增益;GRs為接收天線在發(fā)射機(jī)方向上的增益;λ為工作波長(zhǎng);rsR為通信距離;LRs為通信實(shí)際傳播偏離理想自由空間傳播的衰耗量(機(jī)載通信LRs≈1);Pj為干擾機(jī)發(fā)射機(jī)功率;GjR為干擾天線在接收機(jī)方向上的增益;GRj為接收天線在干擾機(jī)方向上的增益;rjR為干擾距離;LRj為干擾天線與接收天線間實(shí)際傳播偏離理想自由空間傳播的衰耗量(機(jī)載通信，LRj≈1);KP為天線極化形式，當(dāng)電磁波極化形式與天線極化形式相同時(shí)，Kp≈1。

依據(jù)圖4所示流程開(kāi)展空中試飛，包括實(shí)驗(yàn)室仿真推演、地面模擬試驗(yàn)和空中飛行試驗(yàn)。

圖4 試飛試驗(yàn)流程Fig.4 Flight－ test process

5.2.1 試飛數(shù)據(jù)分析

完成空中試飛，將試飛數(shù)據(jù)加載至試飛仿真系統(tǒng)進(jìn)行試飛場(chǎng)景回放，綜合分析實(shí)驗(yàn)室試飛仿真推演與空中試飛數(shù)據(jù)結(jié)果，開(kāi)展試飛數(shù)據(jù)相容性分析重建，依據(jù)試飛數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)則進(jìn)行完整試飛數(shù)據(jù)處理。試飛數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

圖5 試飛數(shù)據(jù)分析流程Fig.5 The analytical process of flight－ test data

5.2.2 綜合評(píng)估

根據(jù)試飛數(shù)據(jù)分析和復(fù)雜電磁環(huán)境測(cè)試的分級(jí)，結(jié)合當(dāng)前飛行時(shí)刻的飛機(jī)姿態(tài)信息和系統(tǒng)控制操作，通過(guò)鏈路通信質(zhì)量變化，準(zhǔn)確評(píng)估各級(jí)電磁環(huán)境對(duì)通信質(zhì)量和通信距離的影響?；跁r(shí)間相關(guān)綜合分析飛行航跡、通信質(zhì)量和電磁頻譜數(shù)據(jù)，并采用可視化手段還原試飛場(chǎng)景，定量分析形成綜合評(píng)估結(jié)論。

6 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)展復(fù)雜電磁環(huán)境下航空通信系統(tǒng)試飛評(píng)估是提升通信系統(tǒng)使用效能的有效保障。本文結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境量化分級(jí)，實(shí)現(xiàn)了集實(shí)驗(yàn)室仿真、空中飛行試驗(yàn)等于一體的綜合性航空通信系統(tǒng)試飛評(píng)估，對(duì)工程航空電子系統(tǒng)試飛具有參考價(jià)值。

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